231
CAPÍTULO 10
PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAIS
Sumário
Objetivos deste capítulo ..........................................................................................232
10.1 Introdução .......................................................................................................232
10.2 Conceitos de tensão e deformação.................................................................233
10.3 Discordâncias e sistemas de escorregamento ................................................233
10.4 Deformação elástica........................................................................................234
10.5 Deformação plástica........................................................................................236
10.6 Tensão nominal e deformação nominal...........................................................237
10.6.1 Tensão nominal............................................................................................237
10.6.2 Deformação nominal ....................................................................................238
10.7 Ensaio de tração .............................................................................................238
10.7.1 Valores das propriedades mecânicas obtidas a partir do ensaio de tração e
diagrama tensão nominal-deformação nominal.......................................................239
10.8 Resistência à fratura .......................................................................................242
10.9 Ensaio de flexão..............................................................................................242
10.10 Dureza...........................................................................................................243
10.10.1 Ensaios de dureza Rockwell ......................................................................244
10.10.2 Ensaios de dureza Brinell...........................................................................244
10.10.3 Ensaios de microdureza Knoop e Vickers ..................................................244
10.11 Resistência ao cisalhamento e à torção ........................................................245
10.12 Fluência.........................................................................................................245
10.13 Resistência ao choque e ao impacto.............................................................246
10.14 Fadiga ...........................................................................................................246
10.15 Referências bibliográficas do capítulo ...........................................................247
Exercícios................................................................................................................248
232
10 PROPRIEDADES MECÂNICAS DE MATERIAIS
Objetivos deste capítulo
•
•
•
•
•
Finalizado o capítulo o aluno será capaz de:
definir o que são deformações e tensões em materiais;
entender o que são sistemas de escorregamento;
saber diferenciar entre tensão/deformação verdadeira e nominal;
observar gráficos de tensão x deformação e obter varias propriedades
mecânicas dos materiais;
entender os conceitos de dureza, fluência, resistência ao choque e fadiga.
10.1 Introdução
Por que estudar as propriedades mecânicas dos materiais?
É de obrigação dos engenheiros compreenderem como as várias
propriedades mecânicas são medidas e o que essas propriedades representam: elas
podem ser necessárias para o projeto de estruturas/componentes materiais
predeterminados, a fim de que não ocorram níveis inaceitáveis de deformação e/ou
falhas.
Muitos materiais, quando em serviço, estão sujeitos a forças ou cargas: um
exemplo é a liga de alumínio a partir da qual a asa de um avião é construída e o aço
no eixo de um automóvel. Em tais situações, torna-se necessário conhecer as
características do material e projetar o membro a partir do qual ele é feito, de tal
maneira que qualquer deformação resultante não seja excessiva e não ocorra
fratura. O comportamento mecânico de um material reflete a relação entre sua
resposta ou deformação a uma carga ou força que esteja sendo aplicada. Algumas
propriedades mecânicas importantes são a resistência, a dureza, a ductibilidade e a
rigidez.
As propriedades mecânicas dos materiais são verificadas pela execução de
experimentos de laboratório cuidadosamente programados, que reproduzem o mais
fielmente possível as condições de serviço. Dentre os fatores a serem considerados
incluem-se a natureza da carga aplicada e a duração da sua aplicação, bem como
as condições ambientais. A carga pode ser de tração, compressiva, ou de
cisalhamento, e a sua magnitude pode ser constante ao longo do tempo ou então
flutuar continuamente.
Desse modo as propriedades são muitos importantes nas estruturas dos
materiais, e elas são alvo da atenção e estudo de vários grupos de pessoas.
O papel dos engenheiros estruturais é o de determinar as tensões e as
distribuições de tensão dentro dos membros que estão sujeitos a cargas bem
definidas. Isso pode ser obtido mediante técnicas experimentais de ensaio e/ou
através de análises teóricas matemáticas de tensão. Esses tópicos são tratados em
livros sobre análises tradicionais de tensão e sobre resistência dos materiais.
Engenheiros de materiais e engenheiros metalúrgicos, por outro lado, estão
preocupados com a produção e fabricação de materiais para atender as exigências
de serviços conforme previsto por essas análises de tensão. Isso envolve
233
necessariamente uma compreensão das relações entre microestrutura dos materiais
e suas propriedades mecânicas.
Deste modo, esse texto visa mostrar de forma clara as principais
propriedades mecânicas dos materiais:
• resistência à tração;
• elasticidade;
• ductilidade;
• fluência;
• fadiga;
• dureza;
• tenacidade entre outras.
10.2 Conceitos de tensão e deformação
Se uma carga é estática ou se ela se altera de uma maneira relativamente
lenta ao longo do tempo e é aplicada uniformemente sobre uma seção reta ou
superfície de um membro, o comportamento mecânico pode ser verificado mediante
um simples ensaio de tensão-deformação. Existem três maneiras principais segundo
uma carga pode ser aplicada: tração, compressão e cisalhamento. Em engenharia,
muitas cargas são de natureza torcional, e não de natureza puramente cisalhante.
10.3 Discordâncias e sistemas de escorregamento
Discordâncias existem em materiais cristalinos devido às imperfeições no
cristal. Essas imperfeições possibilitam o escorregamento de planos dentro do
cristal.
A movimentação de discordâncias é o principal fator envolvido na deformação
plástica de metais e ligas. A mobilidade de discordâncias pode ser alterada por
diversos fatores (composição, processamento…) manipulação das propriedades
mecânicas do material.
E as discordâncias também afetam outras propriedades do material, além das
mecânicas. Como a condutividade em materiais semicondutores.
No nosso estudo vale ressaltar: nos materiais cristalinos o principal
mecanismo de deformação plástica geralmente consiste no escorregamento de
planos atômicos através da movimentação de discordâncias. Na Figura 10.1 são
ilustrados os sistemas de escorregamento.
234
Figura 10.1 - Sistemas de escorregamento.
As discordâncias não se movem com a mesma facilidade em todos os planos
cristalinos e em todas as direções cristalinas. A movimentação das discordâncias se
dá preferencialmente através de planos específicos e, dentro desses planos, em
direções específicas, ambos com a maior densidade atômica de um dado reticulado
cristalino. Essa combinação de um plano e uma direção é chamada de sistema de
escorregamento (“slip system”).
Um sistema de escorregamento é definido por um plano e por uma direção de
escorregamento, ambos com a maior densidade atômica em um dado reticulado
cristalino.
10.4 Deformação elástica
O grau ao qual uma estrutura se deforma ou se esforça depende da
magnitude da tensão imposta. Para a maioria dos metais que são submetidos a uma
tensão de tração em níveis baixos, são proporcionais entre si:
σ = ⋅ε
(10.1)
235
Esta relação é conhecida por lei de Hooke, e a constante de
proporcionalidade E (GPa ou psi) é o módulo de elasticidade, ou módulo de Young.
O processo de deformação no qual a tensão e a deformação são
proporcionais entre si é chamada de deformação-elástica, com o gráfico de σ x ε
resultando em uma reta, conforme mostrado na Figura 10.2.
Figura 10.2 - Lei de Hooke.
Porém a lei de Hooke não é válida para todos os valores de deformação, ela
é uma aproximação quando a tensão é relativamente baixa. Também, a deformação
elástica não é permanente o que significa que quando a carga aplicada é liberada, a
peça retorna a sua forma original.
Em uma escala atômica, a deformação elástica macroscópica é manifestada
como pequenas alterações no espaçamento interatômico e na extensão das
ligações interatômicas. Como conseqüência, a magnitude do módulo de elasticidade
representa uma medida da resistência à separação de átomos adjacentes, isto é, as
forças de ligação interatômicas.
Tabela 10.1 - Módulos de elasticidade, de cisalhamento e coeficiente de Poisson
para algumas ligas metálicas.
Módulos de elasticidade e de cisalhamento e coeficiente de Poisson
Liga
Módulo de Elasticidade
Módulo de Cisalhamento
Coeficiente
6
6
Metálica
de Poisson
GPa
10 psi
GPa
10 psi
Alumínio
69
10
25
3,6
0,33
Latão
97
14
37
5,4
0,34
Cobre
110
16
46
6,7
0,34
Magnésio
45
6,5
19
2,5
0,29
Níquel
207
30
76
11
0,31
Aço
207
30
93
12
0,30
Titânio
107
15,5
45
6,5
0,34
Tungstênio
407
59
160
23,2
0,28
Os valores dos módulos de elasticidade para materiais cerâmicos são
características maiores do que para os metais, e para os polímeros são menores.
Essas diferenças são conseqüências diretas dos diferentes tipos de ligação atômica
nesses três tipos de materiais. Ademais, com o aumento da temperatura, o módulo
de elasticidade tende a diminuir.
236
A imposição de tensões compressivas, de cisalhamento ou torcionais também
induzem um comportamento elástico. As características tensão-deformação a baixos
níveis de tensão são as mesmas¸ tanto para uma situação de tração quando de
compressão, proporcionais ao módulo de elasticidade. A tensão e a deformação de
cisalhamento são proporcionais uma à outra através da seguinte expressão:
τ=
⋅γ
(10.2)
onde G representa o módulo de cisalhamento.
Exemplo 1 Uma barra de aço 1040 de diâmetro 10 mm, cujo módulo de elasticidade
é 200 GPa se submete a uma carga C pressão de tensão de 50.000 N levando-la
um pouco mais do seu limite de proporcionalidade.
Calcule a recuperação elástica que ocorre uma vez eliminada a tensão.
Calcule a tensão
= P/A
= __50.000 N__ = 637 x 10^6
(5x10 ³ m)²
=
637 MPa
Entre Y.S (600 MPa) e T.S (750 Mpa)
Recuperação Elástica
= = 637 x 106 Pa = 3,19 x 10 ³
E
200 x 109 Pa
10.5 Deformação plástica
Para a maioria dos materiais metálicos, o regime elástico persiste até
deformações de aproximadamente 0,005. A medida que o material é deformado
além desse ponto, a tensão não é mais proporcional à deformação, ocorrendo então
uma deformação permanente não recuperável, ou, deformação plástica. (A lei de
Hooke não é mais válida).
A Figura 10.3 mostra os gráficos de tensão x deformação típicos para alguns
tipos de aço. Percebe-se que a baixas tensões existe uma região linear, que aos
poucos entra em uma região não-linear, a chamada região de deformação plástica.
237
Figura 10.3 - Gráfico tensão x deformação para deformação plástica.
A partir de uma perspectiva atômica, a deformação plástica corresponde à
quebra de ligações com os átomos vizinhos originais e em seguida formação de
novas ligações com novos átomos vizinhos, uma vez que um grande número de
átomos ou moléculas se move em relação uns aos outros; com a remoção da
tensão, eles não retornam ás suas posições originais. O mecanismo dessa
deformação é diferente para materiais cristalinos amorfos. No caso de sólidos
cristalinos, a deformação ocorre mediante um processo chamado de
escorregamento, que envolve o movimento de discordâncias, que será discutido
mais a frente.
10.6 Tensão nominal e deformação nominal
Também chamados de tensão de engenharia e deformação de engenharia.
Quando é feito um ensaio de tração, as grandezas que são medidas são a força
aplicada (carga) e o alongamento da peça. Para se encontrar a tensão precisa-se
levar em conta a área do corpo de prova. O problema é que durante o ensaio, a
seção reta do corpo de prova diminui, devido ao alongamento do mesmo,
dificultando a medição da tensão. Para isso utiliza-se a tensão nominal e
deformação nominal. Que são calculados a partir da área inicial, considerando que
ela se mantenha constante durante todo o ensaio.
10.6.1 Tensão nominal
A tensão de engenharia, ou tensão nominal, como definida anteriormente, é
representada pelo caractere σ , e é definida pela relação:
σ=
(10.3)
sendo: σ a tensão (em MPa), F a força aplicada e
corpo onde é diretamente aplicada a carga.
a área da seção inicial do
238
10.6.2 Deformação nominal
A deformação nominal, ou deformação de engenharia, como foi definido
anteriormente, é representada pelo caractere ε , e é definida pela relação:
ε=
−
=
∆
(10.4)
sendo:
o comprimento original antes de ser aplicada carga e
o comprimento
instantâneo antes de ser aplicada carga. Algumas vezes a grandeza −
é
substituída por ∆ , e representa o alongamento da deformação ou variação no
comprimento a um dado instante, conforme referência ao comprimento original.
10.7 Ensaio de tração
Um dos ensaios mecânicos de tensão-deformação mais comuns é executado
sobre tração. Como será visto, o ensaio de tração pode ser usado para avaliar
diversas propriedades mecânicas dos materiais que são importantes em projetos.
Uma amostra é deformada, geralmente até sua fratura, mediante uma carga
de tração gradativamente crescente, que é aplicada uniaxialmente ao longo do eixo
mais comprido de um corpo de prova. Normalmente a seção reta é circular, porém
corpos de prova retangulares também são usados.
Durante os ensaios, a deformação fica confinada a região central, mais
estreita do corpo de prova, que possui uma seção reta uniforme ao longo do seu
comprimento. O corpo de prova é preso pelas suas extremidades nas garras de
fixação do dispositivo de testes.
A maquina de ensaios de tração alonga o corpo de prova a uma taxa
constante, e também mede contínua e simultaneamente a carga e os alongamentos
resultantes. Tipicamente, um ensaio de tensão-deformação leva vários minutos para
ser executado e é destrutivo, isto é, até a ruptura do corpo de prova.
Figura 10.4 - Corpo de prova padrão para ensaio de tração.
Os resultados de um ensaio de tração são anotados em um gráfico de tensão
x deformação (Figura 10.5).
239
Figura 10.5 - Gráfico tensão nominal x deformação nominal.
σ=
Como visto, a relação entre tensão, força aplicada e a área da seção
.Em ensaios de tração convencionou-se que área da seção utilizada para
os cálculos é a da seção inicial ( ). Aplicando essa relação obtêm-se os valores de
tensão que relatados num gráfico demonstram as relações entre tensão nominal e
deformação nominal no decorrer do ensaio.
10.7.1 Valores das propriedades mecânicas obtidas a partir do ensaio de
tração e diagrama tensão nominal-deformação nominal
A partir de um gráfico de tensão x deformação é possível obter muitas
propriedades sobre o material. A seguir, nas Figuras 10.6 e 10.7, serão mostrados
os gráficos de dois grupos de materiais, os materiais dúcteis e os materiais frágeis.
Materiais dúcteis têm a propriedades de que quando estão sob a ação de uma força,
podem estirar-se sem romper-se, transformando-se num fio. Exemplos de materiais
dúcteis são o ouro, o cobre e o alumínio.
Por outro lado, um material frágil é um material que não pode se deformar
muito. Com deformações relativamente baixas o material já se rompe. Um exemplo
de material frágil é o vidro.
As propriedades desses materiais obtidas a partir de um diagrama de tensão x
deformação são mostradas a seguir:
• Materiais dúcteis (aço estrutural e outros metais):
240
σu: tensão última (máxima tensão que
se atinge)
σR: tensão de ruptura (tensão que, se
atingida, provoca a ruptura do material)
σe: tensão de escoamento
εR: deformação de ruptura (deformação
que, se atingida, provoca a ruptura do
material)
Figura 10.6 - Diagrama σ x ε para material dúctil.
1.
2.
3.
4.
•
Fases de evolução do diagrama (Figura 10.6):
Aumento lento do comprimento (pequena deformação), diretamente
proporcional a uma grande carga aplicada (trecho reto da origem até a tensão
de escoamento - σe), com grande coeficiente angular (reta "quase" na
vertical).
Longa deformação com pouco aumento da carga aplicada, ou seja, pequena
variação da tensão (escoamento).
Aumento da deformação proporcional ao aumento da carga aplicada, ou seja,
da tensão. Este aumento ocorre até que a carga aplicada atinja um valor
máximo, ou, uma tensão última - σu (recuperação).
Diminuição do diâmetro do corpo (estricção). Uma diminuição da carga
aplicada é suficiente para manter a deformação até a ruptura. (σR: tensão de
ruptura; εR: deformação de ruptura).
Materiais frágeis (ferro fundido, vidro, pedra...):
σu: tensão última (máxima tensão que
se atinge)
σR: tensão de ruptura (tensão que, se
atingida, provoca a ruptura do material)
εR: deformação de ruptura (deformação
que, se atingida, provoca a ruptura do
material)
Figura 10.7 - Diagrama σ x ε para material frágil.
Evolução do diagrama (Figura 10.7): aumento da deformação proporcional ao
aumento da carga aplicada até que se atinja a deformação de ruptura (εR) que
corresponde à tensão de ruptura (σR) que é igual à tensão última (σu).
241
Módulo de elasticidade: O módulo de elasticidade, denotado por ε , é obtido
na parte linear dos gráficos, sendo mais evidente para o material dúctil. A região
linear é parte que vai do valor zero, até o valor de σ e (tensão de escoamento). Ao
obter o valor numérico referente a inclinação dessa reta se obtém o valor de ε .
Tensão de escoamento: Existente somente para o material dúctil, e marca o
ponto onde o material entra na região de escoamento. Esse fenômeno, nitidamente
observado em metais de natureza dúctil, como aços baixo teor de carbono e
caracteriza-se por um grande alongamento sem acréscimo de carga.
Tensão de ruptura: σ R , como o próprio nome já diz, é a tensão com a qual o
material se rompe. Porém é importante observar que nem sempre a tensão de
ruptura é a tensão máxima que pode ser aplicada. Ao observar a Figura 10.6,
percebe-se que o material pode chegar ao mesmo nível da tensão de ruptura e
mesmo assim não se romper. Ele somente se rompe se tensão máxima já tiver sido
ultrapassada, e então o material se alongaria novamente até romper, com um
decréscimo na tensão, chegando em σR.
Alongamento percentual: O alongamento percentual AL% é porcentagem da
deformação plástica quando do momento da fratura, ou
%=
−
⋅ 100 = ε ⋅ 100
(10.5)
onde
representa o comprimento no momento da fratura e
representa o
comprimento original.
Uma vez que uma proporção significativa da deformação plástica no
momento da fratura está confinada à região do pescoço, a magnitude do
% dependerá do comprimento útil do corpo de prova.
Esse alongamento é muito mais evidente em materiais dúcteis, como pode
ser observador na Figura 10.8, e ele serve para determinar a ductilidade em termos
do alongamento.
Figura 10.8 - Diagrama σ x ε , evidenciando a ductibilidade.
Percentagem de redução da área: Semelhante ao alongamento percentual,
também é uma medida que pode definir a ductibilidade do material, porém medindose a área. É definida por:
242
%=
sendo
fratura
−
a área original da seção reta e
⋅ 100
(10.6)
a área da seção reta no momento da
A maioria dos materiais possui pelo menos um grau modulado de
ductibilidade a temperatura ambiente, contudo, alguns se tornam frágeis à medida
que a temperatura é reduzida.
10.8 Resistência à fratura
A resistência à fratura de um material é determinada pela tenacidade. A
tenacidade é um termo mecânico que é usado em vários contextos: livremente
falando, ela representa uma medida da habilidade de um material em absorver
energia até sua fratura.
Para uma situação estática (pequena taxa de deformação), a tenacidade
pode ser determinada a partir dos resultados de um ensaio tensão-deformação. Ela
é a área sob a curva σ x ε até o ponto de fratura. As unidades de tenacidade são:
energia por unidade de volume do material. Para que um material seja tenaz, ele
deve apresentar tanto resistência como ductibilidade. E freqüentemente materiais
dúcteis são mais tenazes que materiais frágeis.
10.9 Ensaio de flexão
O ensaio de flexão foi adotado com o objetivo de ser utilizado em materiais
frágeis para determinar a tensão e flecha de ruptura, e também permitir avaliar
outras propriedades mecânicas, como o módulo de elasticidade à flexão.
A técnica de ensaio consiste em apoiar o corpo de prova em dois pontos
distanciados de um comprimento (L) e aplicar lentamente uma força de flexão (F) no
centro deste.
Figura 10.9 - Ensaio de flexão.
Deste ensaio pode ainda retirar-se o módulo de ruptura (Mr), que significa o
valor máximo da tensão de tração ou de compressão nas fibras externas do corpo
de prova e que pode ser obtido pela a seguinte expressão:
243
=
.
(10.7)
onde, M é o momento máximo de flexão igual a (FmaxL/2) expresso em [Nmm-2], Y é
a distância do eixo à fibra externa em mm e I o momento de inércia inicial da secção
transversal do corpo de prova em relação ao seu eixo, em mm4.
Outra propriedade possível de obter no ensaio de flexão é o módulo de
elasticidade à flexão (E) através da seguinte expressão:
=
⋅ 3
48 ⋅ ⋅
(10.8)
em que, y é a flecha medida para a força (F) aplicada a meio vão, L é o tamanho do
corpo de prova e I é o momento de inércia.
Os momentos de inércia do corpo de prova podem ser calculados a partir de
sua geometria:
=
π⋅
64
(10.9a)
para seção circular, e
=
⋅ 3
12
(10.9b)
para seção retangular.
A grande vantagem do ensaio de flexão é a de permitir utilizar corpos de
prova mais fáceis de preparar do que os corpos de prova para o ensaio de tração,
tem mais aplicação quanto mais duro for o material. No entanto, para materiais muito
frágeis, os resultados obtidos apresentam grande dispersão, de modo que nestes
casos devem realizar-se sempre vários ensaios para estabelecer um valor médio.
10.10 Dureza
Outra propriedade mecânica que pode ser importante considerar é a dureza,
que é uma medida da resistência de um material a uma deformação plástica
localizada (por exemplo, uma pequena impressão ou risco). Os primeiros ensaios de
dureza eram baseados em minerais naturais, com uma escala construída
unicamente em função da habilidade de um material em riscar outro mais macio.
Técnicas quantitativas para a determinação da dureza foram desenvolvidas ao longo
dos anos, nas quais um pequeno penetrador é forçado contra a superfície de um
material a ser testado, sob condições controladas de carga e taxa de aplicação. Fazse a medida da profundidade ou do tamanho da impressão resultante, a qual pó usa
vez é relacionada a um número índice de dureza: quanto mais macio o material,
maior e mais profunda é a impressão e menor é o número índice de dureza. As
durezas medidas são apenas relativas (ao invés de absolutas), e deve-se tomar
cuidado ao se comparar valores determinados segundo técnicas diferentes.
244
Os ensaios de dureza são realizados com mais freqüência do que qualquer
outro ensaio mecânico por diversas razões:
• simples e barato;
• não-destrutivo;
• pode-se estimar outras propriedades a partir da dureza do material.
10.10.1 Ensaios de dureza Rockwell
Os ensaios Rockwell constituem o método mais comumente utilizado para
medir a dureza, pois eles são muito simples de executar e não exigem qualquer
habilidade especial. Os penetradores incluem bolas de aço esféricas endurecidas,
com diÂmetros de 1/16, 1/8, 1/4 e 1/2 polegada, e um penetrador cônico de
diamante para os metais mais duros.
O número índice de dureza é determinado pela diferença na profundidade de
penetração que resulta da aplicação de uma carga inicial menor seguida por uma
carga principal maior: a utilização de uma carga menor aumenta a precisão do
ensaio. Com base na magnitude de ambas as cargas, a menor e a principal, existem
dois tipos de ensaios: Rockwell e Rock Superficial (Superficial Rockwell).
10.10.2 Ensaios de dureza Brinell
Nos ensaios de dureza Brinell, como nas medições Rockwell, um penetrador
esférico e duro é forçado contra a superfície do material a ser testado. O diâmetro do
penetrador de aço endurecido (ou carbeto de tungstênio) é de 10,00 mm. As cargas
padrões variam entre 50 e 3000 kg, em incrementos de 500 kg. Durante o ensaio a
carga é mantida constante durante um tempo especifico (entre 10 e 30 s). O índice
de dureza Brinell é função tanto da magnitude da carga como do diâmetro de
impressão resultante (ver Tabela 10.2).
10.10.3 Ensaios de microdureza Knoop e Vickers
Para cada ensaio, um penetrador de diamante muito pequeno, com geometria
piramidal, é forçado contra a superfície do corpo de prova. As cargas aplicadas são
muito menores que nos ensaios Rockwell e Brinell, variando entre 1 g e 1 kg. A
impressão resultante é observada sob um microscópio e medida, essa medição é
então convertida em um número índice de dureza.
245
Tabela 10.2 - Técnicas de ensaio de dureza.
10.11 Resistência ao cisalhamento e à torção
Obviamente, os metais podem experimentar deformação plástica sob a
influência da aplicação de cargas cisalhantes e torcionais. O comportamento tensãodeformação resultante é semelhante a componente de tração. Com um gráfico linear
quando sob a influência de cargas relativamente baixas, e também apresentará
deformação plástica (variando de acordo com o material), e terá um ponto de ruptura
respectivo a tensão de ruptura.
10.12 Fluência
A fluência é a deformação plástica que ocorre num material, sob tensão
constante ou quase constante, em função do tempo (tempo em geral muito grande).
A temperatura tem um papel importantíssimo nesse fenômeno.
A fluência ocorre devido à movimentação de falhas, que sempre existem na
estrutura cristalina dos metais. Não haveria fluência se estas falhas não existissem.
Existem metais que exibem o fenômeno de fluência mesmo à temperatura ambiente,
enquanto outros resistem a essa deformação mesmo a temperatura elevadas. As
exigências de uso têm levado ao desenvolvimento de novas ligas que resistam
melhor a esse tipo de deformação. A necessidade de testar esses novos materiais,
expostos a altas temperaturas ao longo do tempo, define a importância deste ensaio.
Os ensaios que analisamos anteriormente são feitos num curto espaço de
tempo, isto é, os corpos de prova ou peças são submetidos a um determinado
esforço por alguns segundos ou, no máximo, minutos. Porém, nas condições reais
de uso, os produtos sofrem solicitações diversas por longos períodos de tempo. O
246
uso mostra que, em algumas situações, os produtos apresentam deformação
permanente mesmo sofrendo solicitações abaixo do seu limite elástico.
Essas deformações ocorrem mais freqüentemente em situações de uso do
produto que envolvam altas temperaturas. E quanto maior a temperatura, maior a
velocidade da deformação.
Nos ensaios de fluência, o controle da temperatura é muito importante.
Verificou-se que pequenas variações de temperatura podem causar significativas
alterações na velocidade de fluência. Exemplo disso é o aço carbono submetido ao
ensaio de fluência, a uma tensão de 3,5 kgf/mm2, durante 1.000 horas: à
temperatura de 500 ºC, apresenta uma deformação de 0,04% e à temperatura de
540 ºC apresenta uma deformação de 4%.
10.13 Resistência ao choque e ao impacto
Choque ou impacto é um esforço de natureza dinâmica. O comportamento
dos materiais sob ação de cargas dinâmicas é diferente de quando está sujeito à
cargas estáticas.
A capacidade de um determinado material de absorver energia do impacto
está ligada à sua tenacidade, que por sua vez está relacionada com a sua
resistência e ductilidade.
O ensaio de resistência ao choque dá informações da capacidade do
material absorver e dissipar essa energia. Como resultado do ensaio de choque
obtém-se a energia absorvida pelo material até sua fratura, caracterizando assim o
comportamento dúctil ou frágil.
Em relação à resistência ao impacto:
• Materiais Polímeros: São frágeis à baixas temperaturas porque a rotação dos
átomos na molécula requer energia térmica. A maioria dos polímeros
apresentam transição dúctil-frágil que é geralmente abaixo da ambiente.
• Materiais CFC: Permanecem dúcteis (não-apresenta transição dúctil-frágil)
porque nesta estrutura há muitos planos de escorregamento disponíveis.
Exemplo: alumínio e suas ligas e cobre e suas ligas
• Materiais HC: São frágeis porque nesta estrutura há poucos planos de
escorregamento disponíveis. Alguns materiais HC apresentam transição
dúctil-frágil. Exemplo: zinco.
10.14 Fadiga
É o efeito observado em estruturas com estado de tensões bem abaixo da
tensão de ruptura quando se pode desenvolver um acúmulo do dano com cargas
cíclicas continuadas conduzindo a uma falha do componente ou estrutura.
Todos dos materiais são anisotrópicos e não homogêneos. Metais de
engenharia são compostos por agregados de pequenos grãos de cristal. Dentro de
cada grão a estrutura também é anisotrópica devido aos planos do cristal e se a
fronteira do grão é fechada, a orientação destes planos muda. Estas não
homogeneidades existem não somente pela estrutura de grãos, mas também por
causa de inclusões de outros materiais. Como resultado da não homogeneidade
tem-se uma distribuição de tensões não uniforme. Regiões da microestrutura onde
247
os níveis de tensão são altos normalmente são os pontos onde o dano de fatiga se
inicia.
Para metais dúcteis de engenharia, grãos de cristal que possuem uma
orientação desfavorável relativa ao carregamento aplicado desenvolvem primeiro
'slip bands' (são regiões onde há intensa deformação devido ao movimento entre os
planos do cristal.
Materiais com alguma limitação de ductibilidade como são os metais de alta
resistência, o dano microestrutural é menos espalhado tendendo a ser concentrado
nos defeitos no material. Uma pequena trinca desenvolve-se a partir de uma lacuna,
inclusão, 'slip band', contorno do grão. Esta trinca cresce então num plano
geralmente normal à tensão de tração até causar uma falha, algumas vezes
juntando-se com outras trincas durante o processo. Assim, o processo em materiais
com ductibilidade limitada é caracterizada pela propagação de poucos efeitos, em
contraste com danos intensificados mais espalhados que ocorrem em materiais
altamente dúcteis. Em materiais de fibra composta, a fadiga é geralmente
caracterizada pelo crescimento de trincas e de laminações espalhadas
desenvolvendo acima de uma relativa área.
Quando a falha é dominada pelo crescimento da trinca, a fratura resultante,
quando vista macroscopicamente, geralmente exibe uma superfície polida próximo à
área em que se originou. Superfícies rugosas normalmente indicam um crescimento
mais rápido da trinca. Linhas curvas concêntricas à origem da trinca são
freqüentemente vistas e marcam o progresso da trinca em vários estágios.
Após a trinca ter caminhado um determinado comprimento a falha poderá ser
dúctil (envolvendo grandes deslocamentos) ou frágil (pequenos deslocamentos).
10.15 Referências bibliográficas do capítulo
CALLISTER, W. D. JR. Ciência de Engenharia de Materiais: uma Introdução. 5.
ed.
Disponível em: <http://www.supertrat.com.br/SuperTrat/Informacoes_Tecnicas_files/
pmm20.pdf>. Acesso em: 1 jun. 2008.
Disponível em: <http://www.lami.pucpr.br/cursos/estruturas/parte03/Mod23/Curso1
Mod23-03.htm>. Acesso em: 30 maio 2008.
Disponível
em:
<http://www.spectru.com.br/Metalurgia/diversos/choque%5B1%
5D.pdf>. Acesso em: 2 jun. 2008.
Disponível
em:
<http://www.dem.isel.ipl.pt/seccoes/pagspm/disciplinas/EP/
laboratorio/Ensaio_de_flexao.pdf>. Acesso em: 2 jun. 2008.
Disponível em: <http://www.angelfire.com/ma/Mnzs/fadiga.html>. Acesso em: 5 jun.
2008.
Disponível em: <http://www.poli.usp.br/d/pmt2100/Aula08_2005%201p.pdf>. Acesso
em: 4 jun. 08.
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Exercícios
1) Uma barra de aço 1040 de diâmetro 10mm, cujo módulo de elasticidade é
200GPa se submete a uma carga de tensão 50000N, levando-a um pouco mais
do seu limite de proporcionalidade. Calcule a recuperação elástica que ocorre
uma vez eliminada a tensão. ε = 3,19
2) Faça um resumo das principais propriedades mecânicas de materiais.
3) Na ausência de esforço a distância interatômica dos átomos de Fe é 0,248 nm ao
longo da direção [111]. Quando aplicada uma tensão de 1000 MPa ao longo
dessa direção d=0,2489 nm. Calcule o módulo de elasticidade ao longo dessas
direções. E = 280 GPa
4) Uma peça de cobre com comprimento original de 305 mm é tracionada com uma
tensão de 276 MPa. Se a deformação é completamente elástica, calcule o
elongamento resultante. l = 77%